危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散研究方法對比*

曹楊 王紅紅 呂松松 李忠濤

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

0 引言

危險(xiǎn)性氣體具有易燃、易爆、有毒等特性，泄漏后會誘發(fā)火災(zāi)、爆炸事故，還會造成環(huán)境破壞和人員中毒事件。2015年巴西國家石油公司“Cidade de Sao Mateus”號FPSO天然氣泄漏并引發(fā)燃爆事故，導(dǎo)致3人死亡、6人失蹤。1979 年吉林某化工廠液化石油氣罐發(fā)生泄漏并引發(fā)火災(zāi)，造成86 人死亡[1-2]。通過開展氣體泄漏擴(kuò)散的研究，對認(rèn)識泄漏擴(kuò)散機(jī)理與規(guī)律具有重要意義，為安全評價、事故應(yīng)急救援等提供參考[3-4]。

目前，國外已基本形成了理論—試驗(yàn)—數(shù)值模擬為框架的泄漏擴(kuò)散知識體系。我國的研究起步較晚，對泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)不足，理論模型研究基礎(chǔ)薄弱[5]，尚未形成一套完整的泄漏擴(kuò)散的理論框架與知識體系。

筆者試圖從目前危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散方面的研究入手進(jìn)行梳理，通過對現(xiàn)有的研究方法、適用對象、發(fā)展特征及內(nèi)在聯(lián)系等進(jìn)行總結(jié)與分析，以期對今后我國開展相關(guān)研究提供借鑒。

1 發(fā)展歷程

上世紀(jì)中葉，油氣泄漏爆炸事故頻繁發(fā)生，歐美研究機(jī)構(gòu)展開了一系列現(xiàn)場全尺寸氣體泄漏試驗(yàn)，尤其是針對重氣，目的在于掌握現(xiàn)場氣體泄漏擴(kuò)散情況，為控制泄漏爆炸事故進(jìn)一步擴(kuò)大提供指導(dǎo)。

同時，泄漏擴(kuò)散理論研究也在逐步開展。最初模型為高斯模型，針對連續(xù)、瞬時泄漏發(fā)展為高斯煙羽模型和煙團(tuán)模型[6]。為求解擴(kuò)散系數(shù)，Sutton模型被提出[7]。美國運(yùn)輸部曾對高斯穩(wěn)態(tài)煙羽模型修正得到MTB模型，并應(yīng)用于70—80年代[8]?；谛孤U(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一些學(xué)者提出了BM模型[9]。隨后，箱模型、板模型、相似模型、淺層模型及三維傳遞模型等被提出[10]，逐步從氣團(tuán)運(yùn)移整體宏觀描述向局部微觀探究發(fā)展。這一時期的研究是根據(jù)不同泄漏條件提出計(jì)算模型，其計(jì)算程序被相繼開發(fā)出來。80年代后期，眾多數(shù)值模擬軟件問世，如Fluent、FLACS、Phast等。

另外，相關(guān)的試驗(yàn)研究也在開展，如縮小比例試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)以及水槽試驗(yàn)，尤其是風(fēng)洞試驗(yàn)對揭示氣體擴(kuò)散規(guī)律、結(jié)果驗(yàn)證等起到重要的推動作用[11-12]。

我國在此方面的研究始于上世紀(jì)80年代，部分科研院所開展了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)、水槽模擬試驗(yàn)以及危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸、監(jiān)測監(jiān)控等研究[13-17]。國內(nèi)學(xué)者還根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬開展了泄漏擴(kuò)散規(guī)律及驗(yàn)證方面的研究。然而，我國未開展任何全尺寸泄漏試驗(yàn)，在泄漏擴(kuò)散基礎(chǔ)理論研究方面相對薄弱。目前，危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散研究方法主要有數(shù)學(xué)模型、試驗(yàn)和數(shù)值模擬。

2 主要研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型法

泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型[5]是用于描述氣體泄漏后在大氣范圍內(nèi)的時空分布狀況。常見的氣體泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型、研究對象、適用條件及特點(diǎn)等如表1所示。

表1 泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

從適用對象來看，數(shù)學(xué)模型從輕質(zhì)、中性氣體，逐漸發(fā)展到重質(zhì)氣體。高斯模型在對輕質(zhì)、中性氣體連續(xù)源或瞬時源泄漏擴(kuò)散建模以及濃度時空分布的描述方面有很好的應(yīng)用。重質(zhì)氣體在泄漏擴(kuò)散過程中呈現(xiàn)階段性，并展現(xiàn)出不同的擴(kuò)散特征。針對重質(zhì)氣體泄漏擴(kuò)散相繼提出了Sutton模型、BM模型、箱模型、板模型、相似模型、三維傳遞模型等。

數(shù)學(xué)模型方法演變呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：①通過引入無限分割法，逐漸從整體物理特征描述向內(nèi)部物理參數(shù)描述發(fā)展。如箱模型以宏觀整體描述為主，而板、相似模型等以微觀內(nèi)部描述為主。②重氣擴(kuò)散研究向方向性及邊界問題處理發(fā)展。如箱、板模型對徑向與側(cè)向擴(kuò)散速度的研究，云團(tuán)邊界與大氣卷吸處理等問題。③復(fù)雜大氣、地形條件下，重氣擴(kuò)散模型向精細(xì)化處理方向發(fā)展。如FEM3和MDPG，基于N-S方程等，綜合考慮重氣下沉、空氣卷席及氣云吸熱等復(fù)雜情況進(jìn)行綜合分析與處理。④根據(jù)特定泄漏擴(kuò)散條件和數(shù)據(jù)更新，衍生新的模型。如Sutton模型是為了解決擴(kuò)散系數(shù)求解而產(chǎn)生的模型，而BM模型是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的圖表關(guān)系式，是典型的經(jīng)驗(yàn)型模型。此外，還產(chǎn)生了SLAB、TWODEE等。

2.2 試驗(yàn)法

(1)全尺寸現(xiàn)場試驗(yàn)

全尺寸現(xiàn)場試驗(yàn)又稱為現(xiàn)場大規(guī)模試驗(yàn)，以LNG、其他重質(zhì)氣體以及混合氣體為研究對象，在特定的氣象條件、地形、泄漏源等，對海面、湖面或地面上泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行研究?，F(xiàn)場泄漏試驗(yàn)是根據(jù)真實(shí)泄漏情景進(jìn)行的模擬試驗(yàn)，可提供一手的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對開展理論研究提供數(shù)據(jù)支撐[2, 8]。典型現(xiàn)場大規(guī)模泄漏試驗(yàn)如表2所示。

表2 泄漏擴(kuò)散現(xiàn)場試驗(yàn)

(2)縮小比例現(xiàn)場試驗(yàn)

縮小比例現(xiàn)場試驗(yàn)是根據(jù)相似理論將實(shí)際擴(kuò)散模型進(jìn)行放大或縮小，常用量綱分析法對相關(guān)泄漏參數(shù)進(jìn)行縮放，得到試驗(yàn)所需要的泄漏情景參數(shù)，再將試驗(yàn)結(jié)果還原到實(shí)際模型中，得到氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律。HALL D J等[11]開展HF縮小比例泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)，并驗(yàn)證了在某些條件下其試驗(yàn)的可行性。DANDRIEUX A等[12]通過開展縮小比例試驗(yàn)研究了扇形水幕對氯氣泄漏擴(kuò)散的影響作用。施志榮[18]通過縮小比例模型試驗(yàn)研究了有害氣體的擴(kuò)散規(guī)律，結(jié)合CFD模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。XING J等[19]和寧平等[20]通過縮小比例模擬試驗(yàn)研究了CO2發(fā)生噴出后的濃度場分布，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。

(3)室內(nèi)試驗(yàn)法

室內(nèi)試驗(yàn)法主要有風(fēng)洞試驗(yàn)法和水槽試驗(yàn)法。

風(fēng)洞試驗(yàn)[21]是根據(jù)相似理論，將氣體泄漏擴(kuò)散場景實(shí)物按照一定的相似比縮小，并根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果按照相似準(zhǔn)則對應(yīng)到大尺度氣體泄漏擴(kuò)散現(xiàn)場原型。

MERONEY R N等[21]在1∶28.9比例風(fēng)洞模型中開展了不同泄漏條件下LNG擴(kuò)散過程模擬，研究過程中提出了弗勞德數(shù)。HEIDORN K C等[22]通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)研究無風(fēng)或微小風(fēng)條件下，障礙物對重氣煙團(tuán)擴(kuò)散行為影響。ROBERTS P T等[23]研究了表面粗糙度對重氣擴(kuò)散的影響。SWEATMAN W L等[24]研究了重氣瞬時源泄漏下，泄漏量及濃度隨時間變化的問題。HAVENS J等[25]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了在均勻障礙物影響下，不同泄漏量、風(fēng)速條件時CO2的擴(kuò)散速度以及濃度變化規(guī)律。ROBINS A等[26]研究了中性、穩(wěn)定層結(jié)及不同粗糙度的煙羽擴(kuò)散規(guī)律。CHRC中心開展了低風(fēng)速或超低風(fēng)速的重氣泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)，研究了在設(shè)置障礙物情況下LNG泄漏擴(kuò)散行為[27]。

我國部分科研院所開展了風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，研究重氣瞬時源、連續(xù)源擴(kuò)散行為。倪章松等[15]對工業(yè)區(qū)有毒有害氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究。杜可[16]、劉國梁[27]以風(fēng)洞試驗(yàn)為手段，探究瞬時源、重氣煙羽擴(kuò)散特征以及圍墻和樹對其擴(kuò)散行為的影響。沈武艷[17]通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)開展了高原山區(qū)城市重氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究。姜傳勝等[28]還將重氣連續(xù)泄漏的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與SLAB重氣擴(kuò)散模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比。

水槽試驗(yàn)法主要是利用水槽模型，通過研究不同密度液體的流動狀態(tài)來模擬氣體擴(kuò)散規(guī)律。秦頌等[29]、蒯念生等[30]研究了重氣在鹽水中的擴(kuò)散規(guī)律。

(4)不同類型試驗(yàn)法的對比

針對危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散不同類型試驗(yàn)研究情況進(jìn)行總結(jié)及分析，具體如表3所示。

表3 不同類型試驗(yàn)法的對比

由表可見，危險(xiǎn)性氣體的試驗(yàn)研究有以下特征：①試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缰饾u縮小。從室外全尺寸、大規(guī)模試驗(yàn)到室內(nèi)水槽試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)模越來越小，從室外轉(zhuǎn)到室內(nèi)，成本、周期逐漸減小，可操作性、重復(fù)性逐漸變強(qiáng)。②試驗(yàn)理論性不斷加強(qiáng)。全尺寸泄漏試驗(yàn)無需任何理論推導(dǎo)，而縮小比例、風(fēng)洞及水槽試驗(yàn)都需進(jìn)行相似理論計(jì)算，所需無量綱參數(shù)也不同。③試驗(yàn)研究對象范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。從LNG、LPG、CO2到Freon與N2混合，泄漏物質(zhì)從重質(zhì)氣體到中性氣體，從單一物質(zhì)到混合物質(zhì)，水槽試驗(yàn)更是用液體擴(kuò)散代替氣體研究，泄漏量逐漸變小，從有毒到無毒，研究對象呈現(xiàn)出多樣性。④試驗(yàn)?zāi)M的場景越來越復(fù)雜。從簡單泄漏場景逐漸向復(fù)雜泄漏條件發(fā)展，如全泄漏LNG試驗(yàn)多在海、湖面，縮小比例試驗(yàn)多在平坦陸地，風(fēng)洞試驗(yàn)多模擬復(fù)雜地面、存在障礙物分布以及不同粗糙度的泄漏擴(kuò)散，邊界條件處理上逐漸細(xì)化，試驗(yàn)研究向復(fù)雜化、精細(xì)化方向發(fā)展。

2.3 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬方法與數(shù)學(xué)模型的提出和發(fā)展密不可分。泄漏擴(kuò)散理論、試驗(yàn)的深入開展，為泄漏擴(kuò)散計(jì)算模型的構(gòu)建和設(shè)計(jì)提供大量理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)資料。隨著箱模型和相似模型的提出，對氣體擴(kuò)散的研究從簡單、均勻的宏觀整體特征，轉(zhuǎn)向氣團(tuán)內(nèi)部物理參數(shù)的細(xì)致考究。許多計(jì)算模型在箱模型基礎(chǔ)上被開發(fā)，如CRUNCH、SOURE、II T Heavy Gas等模型用來計(jì)算瞬態(tài)連續(xù)釋放的重氣擴(kuò)散[31-34]。TERIELE P H M[35]開發(fā)了穩(wěn)態(tài)條件釋放源地面煙羽濃度數(shù)值模型，殼牌以此開發(fā)了HEGADAS。ZEMAN發(fā)展了SLAB模型，用于模擬氣團(tuán)擴(kuò)散的3D特征[36]。WURTZ J等[37]、HANKIN R K等[38]開發(fā)了DISPLAY I II Model、TWODEE等模型，但這些模型受假設(shè)條件的影響，對特別復(fù)雜的邊界條件，模擬結(jié)果存在不準(zhǔn)確性和不確定性。三維傳遞模型進(jìn)一步完善了數(shù)值模擬，通過引入N-S方程，使其更適用于三維非定常湍流的模擬。

數(shù)值模擬方法的發(fā)展呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：①數(shù)值模擬發(fā)展主要基于理論模型的創(chuàng)新，新的氣體擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型提出為數(shù)值計(jì)算模型開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和框架。②數(shù)值模擬向復(fù)雜化、精細(xì)化計(jì)算發(fā)展。數(shù)值模擬從簡單一維模型發(fā)展到復(fù)雜三維模型，還能對復(fù)雜地形條件、泄漏條件情景模擬，對非定常條件湍流進(jìn)行描述。③數(shù)值模擬向交叉方向發(fā)展。數(shù)值模擬過程中還需結(jié)合有限差圖解法、有限空間理論以及靜、滯流體力學(xué)相關(guān)理論等方法和學(xué)科[39]。

2.4 研究方法間的內(nèi)在聯(lián)系

危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散研究方法之間存在相輔相成、相互驗(yàn)證的關(guān)系。數(shù)學(xué)模型為開展相關(guān)試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。試驗(yàn)開展驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的適用性與準(zhǔn)確性，也反映其存在的問題，作進(jìn)一步改進(jìn)。試驗(yàn)中可能出現(xiàn)新的擴(kuò)散現(xiàn)象，會衍生出新的數(shù)學(xué)模型，豐富了泄漏擴(kuò)散理論。數(shù)值模擬使得復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型計(jì)算成為可能，并提高計(jì)算速度，避免人工計(jì)算帶來的誤差與錯誤。對泄漏擴(kuò)散物理模型構(gòu)建、邊界條件及計(jì)算模型的要求朝著真實(shí)化、精細(xì)化、精確化方向發(fā)展。泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)的開展及其結(jié)果，為數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支持，同時對邊界條件設(shè)置和參數(shù)選擇提供了經(jīng)驗(yàn)和參考。危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散研究方法之間的內(nèi)在聯(lián)系如圖1所示。

圖1 危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散研究方法之間的內(nèi)在聯(lián)系

3 結(jié)語

(1)應(yīng)加強(qiáng)在氣體泄漏擴(kuò)散理論和試驗(yàn)方面的研究，提出適用于國內(nèi)發(fā)展的泄漏擴(kuò)散理論模型。

(2)應(yīng)開展低風(fēng)速、復(fù)雜地形、傾斜表面條件下，考慮大氣濕度、太陽輻射因素的泄漏擴(kuò)散模型研究，以及多組分氣體成分及其伴有化學(xué)反應(yīng)過程、非穩(wěn)態(tài)重氣及多組分重氣泄漏擴(kuò)散方面的研究。

(3)應(yīng)開展精細(xì)化數(shù)值建模研究，須做好現(xiàn)場調(diào)研，掌握清楚現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施尺寸、數(shù)量及布置情況，為后期精確建模奠定基礎(chǔ)。